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一種基于GMSK調(diào)制方式的AIS信號幀同步估計方法與流程

文檔序號:12691819閱讀:648來源:國知局
一種基于GMSK調(diào)制方式的AIS信號幀同步估計方法與流程

本發(fā)明屬于船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System,簡稱AIS)通信技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種基于高斯最小頻移鍵控(Gaussian Filtered Minimum Shift Keying,簡稱GMSK)調(diào)制方式的AIS信號幀同步估計方法。

(二)

背景技術(shù):

在AIS通信中,衛(wèi)星的運行速度為每秒7.5千米,對于VHF頻段的AIS信號,造成的多普勒頻移量接近4KHz,超過帶寬的15%。這對正確接收和檢測是很困難的。AIS是時分多址接入系統(tǒng),時間同步是最基本的要求。在星載AIS接收機時間同步的過程中,幀同步是至關(guān)重要的步驟之一。

對于星載AIS信號的幀同步估計,比較經(jīng)典的算法有基于最大似然準則的頻偏估計算法,該算法假設(shè)頻偏均勻分布(參見文獻[1]Gansman J A,Fitz M P,Krogmeier J V.“Optimum and sub-optimum frame synchronization for pilot-symbol-assisted modulation[J]”.Communications IEEE Transactions on,1997,45(10):1327-1337;文獻[2]Choi Z Y,Lee Y H.“Frame in the presence of frequency offset[J]”.IEEE Transactions on Communications,2002,50(7):1062-1065在文獻[1]的基礎(chǔ)上進行了改進,采用了兩次相關(guān)的方法,提高了幀同步的性能;文獻[3]Koo Y,Lee Y H.“A joint maximum likelihood approach to frame synchronization in presence of frequency offset[C]”.IEEE International Conference on Communications.2002:1546-1550vol.3給出了幀同步和頻偏聯(lián)合估計算法,首先進行了頻偏估計,并用頻偏估計值進行校正,并在校正的基礎(chǔ)上進行幀同步,但是本算法在大頻偏下性能較差。

(三)

技術(shù)實現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的在于提出一種基于GMSK調(diào)制方式的AIS信號幀同步估 計方法,它可以解決現(xiàn)有幀同步算法在大頻偏,大時延下無法準確進行幀同步,難以適應(yīng)星載AIS系統(tǒng)要求的問題,以實現(xiàn)在星載AIS接收機上的幀同步。是一種簡單易行的基于訓練序列折疊相關(guān)運算的幀同步算法。該方法旨在提高大頻偏下星載AIS信號幀同步算法的性能,降低信噪比門限,提高估計范圍。

本發(fā)明的技術(shù)方案:一種基于GMSK調(diào)制方式的AIS信號幀同步估計方法,其特征在于它包括如下步驟:

(1)對AIS系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)中的訓練序列再調(diào)制得到長度為NTb的再調(diào)制信號,并證明再調(diào)制信號的對稱性,其中N為訓練序列序列的長度,Tb為碼元周期;

(2)按照步驟(1)中獲得的訓練序列再調(diào)制信號的長度,對接收信號從dT位置為起始進行截取,其中d為從0開始的正整數(shù),T稱為滑動間隔;

(3)將步驟(2)中所截取的信號等長度分為兩部分,每部分的長度為NTb/2,分別計算這兩部分信號的相關(guān)系數(shù),記為P(d),所述P(d)是由兩部分信號的相關(guān)系數(shù)所組成的序列;

(4)搜索步驟(3)中相關(guān)運算所得到的序列P(d),通過求取P(d)最大值得到峰值點,并利用P(d)的峰值點所對應(yīng)的時間點得到幀同步估計值。

所述步驟(1)中,AIS系統(tǒng)訓練序列調(diào)制信號的對稱性的證明由以下步驟構(gòu)成:

假設(shè)接收信號模型如式(1)所示:

x(t)=ej2πεts(t-τ)+n(t) (1)

式中,ε為頻偏,τ為時延,n(t)為均值為0,方差為σ2的高斯白噪聲;

若AIS系統(tǒng)所使用的訓練序列為恒定的0,1交替的序列,即:

b={0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1}

其長度記為N=24bit;

訓練序列經(jīng)過NRZI(No Return to Zero Inverted——反向非歸零)編碼后 可得到新的訓練序列記為a={ai},對訓練序列a進行GMSK調(diào)制之后得到,訓練序列前N/2個點的GMSK調(diào)制后的信號為:

訓練序列后N/2個點的GMSK調(diào)制后的信號為:

式中,N=24,為訓練序列長度,Tb為碼元周期,設(shè)t∈(kT,(k+1)T],其中k取中的整數(shù),高斯濾波器時域截斷有效長度為L,L取奇數(shù),可以得到訓練符號ak+1經(jīng)過GMSK調(diào)制后的調(diào)制信號表示為式(4),

同理,所對應(yīng)的GMSK調(diào)制后的調(diào)制信號如式(5)所示,

對式(4)和式(5)的兩調(diào)制信號共軛相乘,可知:

由式(6)可以得到,訓練序列的調(diào)制信號的前后兩部分對稱,具有最大的相關(guān)性。

所述步驟(2)中結(jié)合步驟(1)中所給出的訓練序列調(diào)制信號的性質(zhì),具體過程如下:

對接收信號進行滑動截取,長度與訓練序列調(diào)制信號長度相同,均為NTb,得到截取信號:

xd(t)=ej2πε(t+d·T)s(t+d·T-τ)+n(t+d·T),0≤t≤N·Tb (7)

則截取信號的前N/2信號和后N/2信號分別可以表示為:

所述步驟(3)中,利用步驟(2)中的截取信號,對其進行前后兩部分折疊運算,求取相關(guān)系數(shù):

式中,cov(·)表示協(xié)方差運算,DX,DY分別為X,Y的方差;

令X1=ej2πε(t+d·T)s(t-τ+d·T),則:

由于n(t)均值為0,方差為σ2的噪聲,且信號與噪聲,噪聲與噪聲互不相關(guān),式(11)可以簡化為,

cov(X,Y)=E(X1Y1)-E(X1)E(Y1) (12)

又因為,

當信噪比較好,且頻偏較大時,接收信號的均值遠大于σ2,那么,

D(X)≈D(X1) (14)

同理可得,D(Y)≈D(Y1);此時,頻偏越大,抗噪聲性能越好;

綜上所述,相關(guān)系數(shù)P(d)可以簡化為,

當且時,X1為訓練序列前N/2長度的接收信號,Y1為訓練序列后N/2長度的接收信號,即有,

X1=ej2πεtx1(t) (16)

由式(6)可以得到,x1(t)=x2(t),那么由式(16)和(17)可知,X1和Y1具有線性關(guān)系,故當同步定時準確時,度量函數(shù)P(d)取得最大值,將式(16)(17)帶入式(15)可以得到式(18):

因此,對相關(guān)系數(shù)序列P(d)進行搜索,求取最大值,即P(d)的峰值,此時

所述步驟(4)中通過峰值點所對應(yīng)的時間點得到幀同步估計值是指:幀同步時延估計值為,

其中,T為滑動間隔。

本發(fā)明的優(yōu)越性在于:利用AIS訓練序列調(diào)制信號對稱特性,對接收信號進行滑動折疊相關(guān),在大頻偏下得到了比較精確的幀同步估計值,并成功 利用頻偏抑制了噪聲對幀同步估計精度的影響。仿真結(jié)果表明,本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)準確的星載AIS幀同步,在頻偏達到4000Hz時依然能實現(xiàn)幀同步的要求,且頻偏越大,幀同步估計精度越高,且對時延范圍沒有限制。

(四)附圖說明:

圖1為本發(fā)明所涉一種基于GMSK調(diào)制方式的AIS信號幀同步估計方法中幀同步估計在不同信噪比下度量函數(shù)曲線圖(時延為8Tb)。

圖2為本發(fā)明所涉一種基于GMSK調(diào)制方式的AIS信號幀同步估計方法中幀同步估計在時延為2Tb時,不同頻偏下的估計性能。

圖3為本發(fā)明所涉一種基于GMSK調(diào)制方式的AIS信號幀同步估計方法中幀同步估計在時延為12Tb時,不同頻偏下的估計性能。

(五)具體實施方式:

實施例:(1)對AIS系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)中的訓練序列再調(diào)制得到長度為NTb的再調(diào)制信號,并證明再調(diào)制信號的對稱性,其中N為訓練序列的長度,Tb為碼元周期;

(2)按照步驟(1)中獲得的訓練序列再調(diào)制信號的長度,對接收信號從dT位置為起始進行截取,其中d為從0開始的正整數(shù),T稱為滑動間隔;

(3)將步驟(2)中所截取的信號等長度分為兩部分,每部分的長度為NTb/2,分別計算這兩部分信號的相關(guān)系數(shù),記為P(d),所述P(d)是由兩部分信號的相關(guān)系數(shù)所組成的序列;

(4)搜索步驟(3)中相關(guān)運算所得到的序列P(d),通過求取P(d)最大值得到峰值點通過P(d)的峰值點所對應(yīng)的時間點得到幀同步估計值。

所述步驟(1)中,AIS系統(tǒng)訓練序列調(diào)制信號的對稱性的證明由以下步驟構(gòu)成:

假設(shè)接收信號模型如式(1)所示:

x(t)=ej2πεts(t-τ)+n(t) (1)

式中,ε為頻偏,τ為時延,n(t)為均值為0,方差為σ2的高斯白噪聲;

若AIS系統(tǒng)所使用的訓練序列為恒定的0,1交替的序列,即:

b={0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1}

其長度記為N=24bit;

訓練序列經(jīng)過NRZI(No Return to Zero Inverted——反向非歸零)編碼后可得到新的訓練序列記為a={ai},對訓練序列a進行GMSK調(diào)制之后得到,訓練序列前N/2個點的GMSK調(diào)制后的信號為:

訓練序列后N/2個點的GMSK調(diào)制后的信號為:

式中,N=24,為訓練序列長度,Tb為碼元周期,設(shè)t∈(kT,(k+1)T],其中k取中的整數(shù),高斯濾波器時域截斷有效長度為L,L取奇數(shù),可以得到訓練符號ak+1經(jīng)過GMSK調(diào)制后的調(diào)制信號表示為式(4),

同理,所對應(yīng)的GMSK調(diào)制后的調(diào)制信號如式(5)所示,

對式(4)和式(5)的兩調(diào)制信號共軛相乘,可知:

由式(6)可以得到,訓練序列的調(diào)制信號的前后兩部分對稱,具有最大的相關(guān)性。

所述步驟(2)中結(jié)合步驟(1)中所給出的訓練序列調(diào)制信號的性質(zhì),具體過程如下:

對接收信號進行滑動截取,長度與訓練序列調(diào)制信號長度相同,均為NTb,得到截取信號:

xd(t)=ej2πε(t+dT)s(t+d·T-τ)+n(t+d·T),0≤t≤N·Tb (7)

則截取信號的前N/2信號和后N/2信號分別可以表示為:

所述步驟(3)中,利用步驟(2)中的截取信號,對其進行前后兩部分折疊運算,求取相關(guān)系數(shù):

式中,cov(·)表示協(xié)方差運算,DX,DY分別為X,Y的方差;

令X1=ej2πε(t+d·T)s(t-τ+d·T),則:

由于n(t)均值為0,方差為σ2的噪聲,且信號與噪聲,噪聲與噪聲互不相關(guān),式(11)可以簡化為,

cov(X,Y)=E(X1Y1)-E(X1)E(Y1) (12)

又因為,

當信噪比較好,且頻偏較大時,接收信號的均值遠大于σ2,那么,

D(X)≈D(X1) (14)

同理可得,D(Y)≈D(Y1);此時,頻偏越大,抗噪聲性能越好;

綜上所述,相關(guān)系數(shù)P(d)可以簡化為,

當且時,X1為訓練序列前N/2長度的接收信號,Y1為訓練序列后N/2長度的接收信號,即有,

X1=ej2πεtx1(t) (16)

由式(6)可以得到,x1(t)=x2(t),那么由式(16)和(17)可知,X1和Y1具有線性關(guān)系,故當同步定時準確時,度量函數(shù)P(d)取得最大值,將式(16)(17)帶入式(15)可以得到式(18):

因此,對相關(guān)系數(shù)序列P(d)進行搜索,求取最大值,即P(d)的峰值,在峰值點處,

所述步驟(4)中通過峰值點所對應(yīng)的時間點得到幀同步估計值是指:幀同步時延估計值為,

其中,T為滑動間隔。

圖1為本發(fā)明所涉一種基于GMSK調(diào)制方式的AIS信號幀同步估計方法中幀同步估計在不同信噪比下度量函數(shù)曲線圖(時延為8Tb,滑動間隔T為)。圖中有三條曲線,分別為當信噪比為-10dB,5dB和10dB時,度量函數(shù)P(d)的計算結(jié)果。從圖中可以看出,在不同信噪比下,度量函數(shù)P在時延處存在峰值,可以實現(xiàn)準確的幀同步估計。且在高信噪比下,在時延處,度量函數(shù)為訓練序列調(diào)制信號前后兩部分的相關(guān)系數(shù),度量函數(shù)值為1,符合訓練序列對稱性的證明。

圖2為本發(fā)明所涉一種基于GMSK調(diào)制方式的AIS信號幀同步估計方法中幀同步估計在時延為2Tb時,不同頻偏下的估計性能。圖中共四條曲線,分別為頻偏為0Hz,100Hz,1000Hz,4000Hz情況下的歸一化時延估計均方誤差曲線。從圖中曲線可以發(fā)現(xiàn),本發(fā)明的時延估計性能隨著頻偏增大,時延估計性能不斷提升,尤其在低信噪比下,估計性能提升較大。圖中曲線表明在時延為2Tb時,能夠時延幀同步的要求。

圖3為本發(fā)明所涉一種基于GMSK調(diào)制方式的AIS信號幀同步估計方法中幀同步估計在時延為12Tb時,不同頻偏下的估計性能。圖中共四條曲線, 分別為頻偏為0Hz,100Hz,1000Hz,4000Hz情況下的歸一化時延估計均方誤差曲線。從圖中可以看出,在大時延下,隨著頻偏的不斷增大,本發(fā)明的時延估計性能也不斷提高,頻偏越大,估計精度越高,尤其是在低信噪比下,估計性能提高很快,能夠滿足幀同步的要求。且與圖2中仿真結(jié)果相比,時延大小并不影響本發(fā)明的估計性能,符合公式(18)中的推導結(jié)果。

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